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案例頻道引 言
近幾年來,基于ＰＩＤ控制算法和ＰＬＣ的變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用,被認(rèn)為是一種理想的供水方式[1]。但由于供水系統(tǒng)一般用戶較多且用水時(shí)間不確定,管網(wǎng)水壓波動(dòng)較大,而且控制對(duì)象具有非線性和一定的滯后特性,所以很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。因此,在實(shí)際當(dāng)中,特別是在一些控制精度要求較高的工業(yè)用水供水系統(tǒng)中,使用基于ＰＩＤ控制的變頻調(diào)速供水時(shí),存在不同程度的超調(diào)或震蕩現(xiàn)象。對(duì)于供水系統(tǒng)的非線性、高階次、大滯后、參數(shù)易變異及其數(shù)學(xué)模型難以確定等特點(diǎn),適宜于采用模糊控制。所謂模糊控制,就是把操作者的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成若干條法則,并依據(jù)人腦的模糊推理過程,確定推理法則,計(jì)算機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的信息,按照控制規(guī)則做出模糊控制決策,發(fā)出控制指令,以實(shí)現(xiàn)模糊控制。模糊控制在處理不確定對(duì)象時(shí),用建立一個(gè)模擬不確定對(duì)象的模糊模型的方法來解決實(shí)際控制問題,具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,上升時(shí)間快,超調(diào)小等優(yōu)越性。
雖然模糊控制具有許多傳統(tǒng)控制方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如不需建立數(shù)學(xué)模型，符合人們思維特點(diǎn)以及良好的動(dòng)態(tài)性能，但是也有其自身的局限性。比如，模糊控制恒壓供水系統(tǒng)的靜態(tài)性能較差。在線性控制理論之中，積分控制的作用是消除靜態(tài)誤差，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢;比例控制的作用是提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度;比例積分控制的作用是既能獲得較高的靜態(tài)精度，又具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。因此把PID控制引入模糊控制中組成Fuzzy -PID復(fù)合控制，是改善模糊控制靜態(tài)性能的一條途徑，文獻(xiàn)[2,3，4,5]曾做過有益的探索。采用Fuzzy- PID復(fù)合控制，可以改善Fuzzy控制的靜態(tài)性能，提高Fuzzy控制精度。針對(duì)上述情況,本文作者提出了基于
收稿日期:2006. 01
作者簡(jiǎn)介:伊連云(1974―),女,滿族，碩士，講師, 主要從事PLC、自動(dòng)控制等方面研究。
參數(shù)自整定模糊-ＰＩＤ復(fù)合控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)的方案,利用模糊參數(shù)自整定技術(shù),對(duì)ＰＩＤ輸出進(jìn)行再調(diào)整,使動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的Ｆｕｚｚｙ控制與穩(wěn)態(tài)特性好的ＰＩＤ控制相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。
1 變頻恒壓供水系統(tǒng)
系統(tǒng)主要是由ＰＬＣ、變頻器、模糊PID控制器（Fuzzy-PID）、壓力傳感器、多組繼電器和接觸器的電氣動(dòng)力控制線路以及3臺(tái)水泵等組成。組成框圖如圖1.
恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略是: 根據(jù)流體力學(xué)的基本原理,水泵消耗功率(軸功率)與轉(zhuǎn)速的三次方成正比.即 ，降低轉(zhuǎn)速，消耗功率即可大幅度下降。由電動(dòng)機(jī)原理可知，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，頻率越低，轉(zhuǎn)速越低。本系統(tǒng)通過壓力傳感器周期性地采集管網(wǎng)壓力,將管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力進(jìn)行比較后,其壓差信號(hào)送入模糊控制器,PLC根據(jù)壓差信號(hào)能很快計(jì)算出壓力誤差變化率;經(jīng)控制器模糊運(yùn)算處理后,在模糊控制表中查詢到相應(yīng)的模糊控制量,再把模糊控制量通過解模糊運(yùn)算輸出一個(gè)精確的控制量Δu,對(duì)系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行遷移,并把遷移后的值送入常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié),然后與積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)一起來實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器輸出頻率的控制,從而達(dá)到控制變速泵的轉(zhuǎn)速和輸出的目的，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行在高效節(jié)能的最佳狀態(tài)。
圖1. 系統(tǒng)組成框圖
2 模糊控制器的設(shè)計(jì)
在一般的模糊控制系統(tǒng)中，考慮到模糊控制器實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)易性和快速性，通常采用二維模糊控制器結(jié)構(gòu)形式。這類控制器都是以系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec為輸入語(yǔ)句變量，因此具有類似于常規(guī)PID控制器的作用.采用該類模糊控制器的系統(tǒng)有可能獲得良好的動(dòng)態(tài)特性，而靜態(tài)性能不令人滿意。因此，把PID控制策略引入模糊控制器，構(gòu)成模糊PID復(fù)合控制，是改善模糊控制器穩(wěn)態(tài)性能的一種途徑。
2.1模糊化
系統(tǒng)誤差e和ec作為模糊控制器的輸入變量，PID控制器的三個(gè)參數(shù)的變化量△Kp、△Ki、
△Kd作為模糊控制器的輸出變量。
本系統(tǒng)中輸入變量e的變化范圍為[一10, +10]，ec的變化范圍為[5, 5], 輸出變量△Kp、△Ki、△Kd的變化范圍為[-5, +5], [-2, +2],[-1, +1] 模糊輸入輸出的量化等級(jí)為7級(jí)，即定義模糊集為:{NB, NM, NS, Z0, PS, PM, PB}其含義依次表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。模糊子集的隸屬函數(shù)選為三角形,相應(yīng)的論域?yàn)閧-3，-2，一1,0,+1,+2,+3},輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)曲線為圖2
圖2. 輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)曲線
2.2建立模糊控制規(guī)則
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員手動(dòng)調(diào)節(jié)供水壓力的經(jīng)驗(yàn)，各環(huán)節(jié)的控制規(guī)則如下.
比例環(huán)節(jié)的作用是及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，一旦產(chǎn)生偏差，則應(yīng)立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。因此，當(dāng)偏差較大時(shí)，為提高響應(yīng)速度，Kp應(yīng)取大值，當(dāng)偏差較小時(shí)，為防止超調(diào)過大引起的振蕩，Kp應(yīng)取小值。△Kp的整定規(guī)則如表1。
表1 △Kp的模糊規(guī)則表
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e
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△Kp |
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ec=NB ec=NM ec=NS ec=ZO ec=PS ec=PM ec=PB | |
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NB PB PB PM PM PS PS ZO
NM PB PB PM PS PS ZO NS
NS PM PM PS PS ZO NS NS
ZO PM PS PS ZO NS NM NM
PS PS PS ZO NS NS NM NM
PM PS ZO NS NM NM NM NB
PB ZO ZO NM NM NM NB NB | |
積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，它對(duì)誤差進(jìn)行積分，對(duì)系統(tǒng)控制有一定的滯后作用。加大積分作用有利于減少系統(tǒng)靜差，但積分作用過強(qiáng)，會(huì)造成超調(diào)過大，引起系統(tǒng)振蕩。因此，當(dāng)偏差較小時(shí)，才使積分環(huán)節(jié)發(fā)揮作用，且KI應(yīng)隨偏差減小而增大，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度;而在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的初始階段，或當(dāng)偏差較大時(shí)，為避免系統(tǒng)超調(diào)，Ki應(yīng)取小值或零值。△Ki的整定規(guī)則如表2
表2 △Ki的模糊規(guī)則表
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e
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△Ki |
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ec=NB ec=NM ec=NS ec=ZO ec=PS ec=PM ec=PB | |
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NB ZO ZO ZO ZO NS ZO ZO
NM ZO ZO ZO ZO NS ZO ZO
NS NB NM NS NS ZO PS PS
ZO NM NM NS ZO PS PM PM
PS NM NS ZO PS PS PM PS
PM ZO ZO PS PS PS ZO ZO
PB ZO ZO PS PS PS ZO ZO | |
微分環(huán)節(jié)的作用與比例環(huán)節(jié)類似，為的是能及時(shí)反映偏差信號(hào)的變化趨向和變化速率，對(duì)于大慣性、純滯后的被控對(duì)象來說，微分環(huán)節(jié)的控制作用對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)過程影響很大，它能在偏差信號(hào)值變得太大之前加入有效的修正信號(hào)，加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。由于微分環(huán)節(jié)對(duì)干擾信號(hào)較為敏感，因此KD的取值應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的響應(yīng)速度和抗干擾能力，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和魯棒性能。△Kp的整定規(guī)則如表4-3所示。
表3 △Kd的模糊規(guī)則表
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e
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△Kd |
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ec=NB ec=NM ec=NS ec=ZO ec=PS ec=PM ec=PB | |
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NB PS NM NB NB NB NM PS
NM PS NS NB NM NM NS PS
NS ZO NS NM NS NS NS ZO
ZO ZO NS NS NS NS NS ZO
PS ZO ZO ZO ZO ZO ZO ZO
PM PM PS PS PS PS PS PB
PB PB PM PM PM PS PS PB | |
Kp、Ki、Kd的模糊規(guī)則表建立以后根據(jù)如下方法進(jìn)行3個(gè)參數(shù)的自適應(yīng)校正:
Kp=Kp+△Kp, Ki=Ki+△Ki, Kd=Kd+△Kd
通過模糊和推理修正后的PID參數(shù)Kp、Ki、Kd應(yīng)用在普通的PID算法上,形成自適應(yīng)模糊PID算法。
3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
模糊ＰＩＤ控制算法的計(jì)算流程見圖3。
圖3.模糊ＰＩＤ算法程序框圖
4.系統(tǒng)運(yùn)行效果分析
在2組不同參數(shù)下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖4.模糊PID參數(shù)整定的恒壓供水系統(tǒng)與手工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)整定的PID控制的供水系統(tǒng)相比，在單位階躍激勵(lì)下，系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，響應(yīng)速度加快，有效地抑制了供水系統(tǒng)響應(yīng)滯后的不利影響，獲得了更好的快速性和穩(wěn)定性。
圖4.輸出響應(yīng)比較
5．結(jié)語(yǔ)
本文提出的基于參數(shù)自整定的模糊-PID控制，引入?yún)?shù)自整定，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力，與傳統(tǒng)的PID控制相比具有更好的跟蹤性能，進(jìn)一步提高了供水的穩(wěn)定性和質(zhì)量，大大減少了對(duì)管網(wǎng)的沖擊。針對(duì)供水系統(tǒng)大滯后和慣性的特點(diǎn)以及水廠面臨的實(shí)際問題(電流過大、水壓不穩(wěn)等)把自整定的模糊- PID控制引入供水系統(tǒng)，達(dá)到了滿意的控制效果。該系統(tǒng)具有水壓恒定，節(jié)能以及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，具有較大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 張西虎.一種閉環(huán)恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[Ｊ].機(jī)械與電子,2001(2):30 31
[2] 蔣勇英，高宏偉，韓耀鵬，付興武.模糊恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J] 微計(jì)算機(jī)信息 2004年20卷2期
[3]Y.Gu.H.O.Wang.andK.Tanaka.FuzzyControlofNolinearTime-DelaySysyems:StabilityandDesignlssues.Arlington.VA.June25-27.20015 [4]H.O.Wang.K.Tanaka.andM.F.Griflin.AnApproachtoFuzzyControlofNonlinearSystems:StabilityandDesignIssues.IEEETrans.FuzzySyst.Vol.4.No.1.1996:14～23
[5]黃良沛,黃 昕 ,陽(yáng)小燕.參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J] 自動(dòng)化與儀器儀表 2005年第4期，28-30
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)